2013.04/20 高分子半導体材料とインピーダンス
多くの高分子は絶縁体で、その体積固有抵抗は１０の１２乗Ωｃｍ以上である。この高分子を１０の８乗から１０の１１乗Ωｃｍの領域で材料設計を行う場合、パーコレーション転移という現象を理解していないと材料の品質安定化が難しい。
低コストで材料設計を行おうとする場合にカーボンが用いられるが、一般に市販されているカーボンの体積固有抵抗は１０Ωｃｍ未満である。少し特殊なカーボンでも１００Ωｃｍである。このレベルの体積固有抵抗のカーボンを高分子に分散し、例えば１０の１０乗Ωｃｍの材料に設計しようとすると１０の７乗から１０の１０乗まで偏差が現れる場合がある。場合がある、と書いたのは、偏差が小さくなる幸運も起きるからである。これはパーコレーション転移の怖い点である。
実験室や試作段階で偏差が小さくとも量産が始まったとたんに偏差が大きくなったりする。これを一度経験するとパーコレーション転移という現象を正しく理解できる。パーコレーション転移という現象の難しさは、確率過程で発生する現象なので、運良く発生しなければ大きな問題と感じないからである。一度痛い目に遭うと、導電性粒子を分散した高分子中で生じるクラスターの重要性に着目し、その制御技術開発を真剣に行うようになる。
パーコレーション転移の検出には、表面比抵抗の測定や体積固有抵抗の測定がよく用いられる。これでも測定しないよりはましで、このデータだけでも正しく評価すれば、パーコレーション転移の制御は可能である。多くの場合、これらの抵抗測定をいい加減に行うので、うまく材料設計できない場合がある。例えば、表面比抵抗と体積固有抵抗は相関するはずで、その係数は測定した材料の厚みと関係する。厚みと関係する、と書いたのは、ここがミソだからである。詳しくはここで書かないが、表面比抵抗と体積固有抵抗の関係を示したグラフを見てどのように感じるかで運の分かれ道となる。どのように考えるか、と表現していない点に気をつけて欲しい。適当な考察をして失敗した人を見てきたからである。
パーコレーション転移を科学的に正確に考察しようとするならば、大変なコストがかかる。そこまでコストをかけて考察するならば間違った考察とならないが、適当なデータで、似非科学的考察を行うと失敗する。科学的ではないが、表面比抵抗と体積固有抵抗の関係のグラフを見て不安に感じたら、インピーダンスの測定を行うと良い。定性的ではあるが、インピーダンス変化をクラスター形成の数値シミュレーションで説明することに成功しているからだ。福井大学で客員教授をしていた時代に行った研究だが、パーコレーション転移のクラスター形成過程を直流で抵抗測定するよりもうまく捉えることができる。パーコレーション転移に対して感度が高い、と表現できる測定方法である。
しかし、このインピーダンス測定法による評価でさえも非科学的であることを知っておくべきである。元東京理科大学古川先生からパーコレーション転移が起きたあと、導電性微粒子の充填率が高くなった時のインピーダンス変化について科学的な評価結果を教えて頂いた。ただ、その問題は直流測定で検出できるので実技では大きな問題とはならないが、インピーダンス計測とパーコレーション転移を科学として論じる場合には、古川先生ご指摘の通りである。
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